Факты у вас под рукой: Дисперсия газа в жидкостях

1 сентября 2022 г. | Скотт Дженкинс, журнал Chemical Engineering

Вдувание газов через диффузор в жидкость является важным аспектом многих операций в химической перерабатывающей промышленности (ХПИ). Важные области применения включают растворение газов-реагентов в жидкой фазе для дальнейшей реакции (например, при гидрировании, окислении, озонировании), а также карбонизацию напитков, стимуляцию процессов ферментации (рис. 1), аэрацию сточных вод для очистки, удаление воздуха или кислород из химикатов, удаление летучих органических соединений (ЛОС) из жидких химикатов, удаление влаги из топлива и другие. В этом одностраничном справочнике представлена ​​информация по ключевым аспектам диффузии газа в жидкостях, включая скорость массообмена, эффекты перемешивания и выбор оборудования.

РИСУНОК 1. В примере применения с барботажем газа диффузор в нижней части резервуара выделяет кислород, чтобы стимулировать процесс ферментации.

Основной целью барботажной системы является повышение эффективности массообмена газ-жидкость (отношение количества активного газового компонента, растворенного в жидкости, к количеству впрыскиваемого газа). Низкая эффективность массопереноса приводит к повышенной скорости закачки газа. В этом случае увеличенный объем газа повышает затраты на достижение желаемых результатов. Эффективность массообмена газ-жидкость в первую очередь контролируется сопротивлением массообмену жидкой фазы.

Быстрый и эффективный массоперенос коррелирует с распространением мелких пузырьков, что увеличивает площадь поверхности газа, контактирующую с жидкостью.

Специально разработанные пористые металлические или керамические материалы создают мелкие пузырьки в соответствии с требованиями применения. Пористые материалы позволяют пропускать большие объемы газа с очень высокой удельной площадью. Например, при равных объемах газа пузырьки диаметром 1 мм будут иметь в 6,35 раз большую площадь поверхности контакта газа и жидкости, чем пузырьки диаметром 6,35 мм (1/4 дюйма) [2].

Скорость массопереноса газ-жидкость на единицу объема рассчитывается по формуле: KLa(C* – C), где KL – коэффициент массопереноса жидкой фазы, который зависит от коэффициента диффузии, вязкости жидкости, температуры и перемешивания. ; а — площадь поверхности контакта пузырьков газа с жидкостью; С* — насыщенная концентрация газа в жидкости; C — концентрация в объемной жидкости.

За счет барботирования в жидкость небольших пузырьков газа с высоким отношением поверхности к объему площадь межфазной границы а увеличивается и скорость массопереноса газа улучшается. Движущая сила массообмена (C* – C) также оказывает большое влияние на скорость растворения газа, поскольку вместо газа низкой чистоты используется газ высокой чистоты. Например, насыщенная концентрация кислорода в воде из чистого кислорода в пять раз выше, чем из воздуха, что приводит к значительному увеличению скорости растворения кислорода чистым кислородом.

Барботеры выбираются в зависимости от конструкции и условий эксплуатации процесса. Тип и конфигурация используемого барботера зависят от таких факторов, как, является ли процесс непрерывным или периодическим процессом, а также от расхода газа, размера резервуара, механического перемешивания, условий эксплуатации. давление и температура.

Материалы конструкции. Металлические барботеры используются в условиях высоких температур, коррозии или окисления, тогда как керамические барботеры достаточны для мягких условий.

Скорость выхода газа. Скорость выхода газа на поверхности барботера является важным критерием выбора барботера. Фактический объемный расход газа для скорости на выходе рассчитывается с использованием давления (P), которое представляет собой сумму давления в свободном пространстве резервуара (PHeadspace), давления напора жидкости в барботере (PLiquid) и перепада давления на барботерном элементе (ΔP). Минимальная площадь поверхности барботера основана на предельной скорости выхода газа для данного процесса.

Предел скорости на выходе является самым низким для статического барботирования, когда отсутствует механическое перемешивание жидкой фазы. Для барботирования в резервуаре с перемешиванием и динамического барботирования, когда жидкость имеет высокую вынужденную скорость вдоль поверхности барботера, пределы скорости газа на выходе значительно выше, поэтому для того же расхода газа требуются барботеры меньшего размера. Предел скорости на выходе для барботажа в резервуаре с перемешиванием и динамического барботажа зависит от скорости крыльчатки и скорости жидкости соответственно.